Thermodynamic analysis of processes in Hydrogen fuel cells.

Abstract

Tato práce se zabývá nerovnovážnou termodynamikou, která slouží k odvození evolučních rovnic makroskopických a mezoskopických systémů. Je například ukázán vztah mezi teorií GENERIC (General Equation for the Nonequilibrium Reversible-Irreversible Coupling) a (ne)vratností a Onsager-Casimirovy relace reciprocity jsou pak z této teorie odvozeny. Následně jsou v rámci nerovnovážné termodynamiky odvozeny modely palivových článků a příbuzných zařízení a teoretické předpovědi jsou porovnány s výsledky experimentů. V práci je také odvozeno zobecnění analýzy exergie, které přináší novou metodu pro odhalování mapy ztrát užitečné práce v zařízeních produkujících elektřinu. Tato metoda vyžaduje, aby bylo zařízení popsáno nerovnovážně termodynamickým modelem, a obecná teorie nerovnovážné termodynamiky se tak stává nedílnou součástí popisu a optimalizace zařízení produkujících energii.

Non-equilibrium thermodynamics, which serves as a framework for formulating evolution equations of macroscopic and mesoscopic systems, is briefly reviewed and further developed in this work. For example, the relation between the General Equation for the Nonequilibrium Reversible- Irreversible Coupling (GENERIC) and (ir)reversibility is elucidated, and Onsager-Casimir reciprocal relations are shown to be an implication of GENERIC. Non-equilibrium thermodynamics is then applied to describe fuel cells and related devices, and theoretical conclusions are compared to experimental data. Moreover, a generalization of standard exergy analysis is developed bringing a new method for revealing a map of useful work losses in electricity producing devices. This method requires a non-equilibrium thermodynamic model, and so the general theory of non- equilibrium thermodynamics and optimization of real power generating devices stand side by side.